基于“雙介質層+一體化電極”的電容式壓力傳感器設計

足部活動可以反映人體的許多生理異常，因此運動步態成為健康監測中的重要指標。用于步態監測的柔性傳感器的研究集中在高靈敏度、寬工作范圍、快速響應和低檢測限等方面，但在彈性、抗菌活性、用戶友好性和長期穩定性等方面仍然存在挑戰。

2024年2月28日，西安電子科技大學郝躍院士團隊的常晶晶教授和李迎春博士作為通訊作者在《ACS Applied Materials & Interfaces》雜志在線發表了題為“Capacitive Pressure Sensor Combining Dual Dielectric Layers with Integrated Composite Electrode for Wearable Healthcare Monitoring”的工作。該研究通過設計雙介電層和一體化電極制備了一種低檢測限和寬檢測范圍、高靈敏、快響應和高穩定的柔性電容式壓力傳感器，并基于此集成可穿戴設備用于步態監測，可以幫助老人、小孩和中風患者警示摔倒風險和步態異常。該柔性壓力傳感器的雙介電層、一體化電極和微結構設計賦予了智能鞋墊優異的傳感性能、回彈性、抗菌活性、佩戴舒適性及長期穩定性功能；集成該傳感器制備的智能鞋墊還具有準確辨別機械刺激的能力，可以通過足底壓力分布識別健康狀況，隨時隨地做用戶的健康管家。

【文章要點】

通過靜電紡絲技術和模板法制備了一種集成了雙層介電層和多層微結構的柔性電容壓力傳感器，制作方法簡單、經濟、穩定、易于批量生產。其中，基于優化的靜電紡絲網絡和微柱陣列制備雙介電層，顯著提高了傳感器的靈敏度、檢測范圍、彈性和抗菌性能；采用碳納米管(CNTs)、二維碳化鈦Ti3C2Tx (MXene)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備一體化柔性電極復合材料，并通過微結構設計提高傳感性能，在電導率、穩定性、靈敏度和實用性方面具有協同優勢。此外，將所報道的壓力傳感器與便攜式微型檢測儀集成設計了一種智能鞋墊，并將采集到的數據無線傳輸到手機，為實時監測步態和無創檢測疾病提供了前沿的解決方案，為未來可穿戴設備和個性化醫療技術的提供參考（圖1）。

圖1壓力傳感器的構建策略、傳感機理和應用示意圖

采用有限元分析模擬了傳感器微結構在壓縮過程中的應力分布和應力變化，發現在壓縮過程中，傳感機理可分為輕微、中等和大力度三個階段，分別對應多層結構傳感器中不同層的微結構變化。文中設計了力電耦合平臺進一步研究電容式壓力傳感器的傳感性能，研究發現該傳感器具有低檢測限和寬檢測范圍（1 Pa - 2 MPa）、高靈敏(靈敏度0.091 kPa?1)、快響應（71 ms響應時間）和高穩定（6000 次穩定循環）的特點（圖2）。

圖2 壓力傳感器的傳感性能研究

所開發的電容式壓力傳感器具有優異的壓力傳感特性，可以集成到鞋墊中，用于識別步態和足底壓力分布，有助于糖尿病足和中風等疾病的早期診斷和預警。但由于長期穿著沒有抗菌活性的鞋墊會促進有害細菌的生長，因此良好的抗菌性能對智能鞋墊也非常重要。還通過在37℃下共培養革蘭氏陰性菌大腸桿菌(E. coli)和革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌(S. aureus) 12 h，對TPU和TPU/AgNPs靜電紡絲網絡的抗菌性能進行了比較研究，發現TPU/AgNPs電紡絲膜具有良好的抗菌活性，為智能鞋墊和其他可穿戴醫療保健產品提供優異的候選材料（圖3）。

圖3 TPU和TPU/AgNPs靜電紡絲網絡的抗菌性能

基于該壓力傳感器優異的性能，本文還制作了一個4×4的壓力傳感器陣列，可以檢測出不同物體在傳感器陣列上的壓力分布。還將8個壓力傳感器與便攜式設備集成在一起制成智能鞋墊，并通過藍牙傳輸數據信號和提示到手機，可以隨時隨地進行運動監測和疾病預警。例如，通過步伐的頻率變化進行運動計數；通過觀察行走過程中足跟、足底和前足壓力分布的變化，反映中風患者和糖尿病患者的步態變化；通過對壓力位置、頻率或幅度的突然異常信號感知，觸發跌倒警告，對老人和小孩的監護非常有幫助（圖4）。

圖4 4×4傳感器陣列上不同物體的壓力分布以及由8個傳感器組成的智能鞋墊上的足底壓力分布

以上研究成果由西安電子科技大學李欣樾（碩士生）、西北大學劉彥楠副教授、西安電子科技大學丁雅蓉（碩士生）、張苗博士、林珍華教授、郝躍院士、李迎春博士和常晶晶教授共同完成。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、陜西省自然科學基金、數字醫學工程全國重點實驗室和中央高?；究蒲袠I務費等項目的資助。